Cáp quang được làm bằng vật liệu gì? Hướng dẫn đầy đủ

Vật liệu cốt lõi bên trong cáp quang

Cáp quang được làm chủ yếu bằng thủy tinh silic (SiO₂) , một dạng silicon dioxide có độ tinh khiết cao. Loại kính này tạo thành hai lớp trong cùng của mỗi sợi quang: lớp cốt lõi và tấm ốp . Lõi là dải trung tâm mà ánh sáng truyền qua, trong khi lớp bọc bao quanh nó có chiết suất thấp hơn một chút để giữ ánh sáng bị giới hạn thông qua một nguyên lý gọi là phản xạ nội toàn phần.

Kính được sử dụng trong sợi quang tinh khiết hơn nhiều so với kính cửa sổ thông thường. Thủy tinh silica tiêu chuẩn chứa tạp chất có thể phân tán hoặc hấp thụ ánh sáng trong khoảng cách hàng mét. Ngược lại, silica loại sợi đạt được tốc độ suy giảm thấp đến mức 0,2dB/km , cho phép tín hiệu truyền đi hàng chục km trước khi cần khuếch đại.

Trong một số ứng dụng—đặc biệt là cáp tầm ngắn hoặc cáp dành cho người tiêu dùng—lõi được làm bằng sợi quang nhựa (POF) , điển hình là polymethyl methacrylate (PMMA). Sợi nhựa linh hoạt hơn và ít tốn kém hơn khi kết thúc, mặc dù nó có mức suy hao tín hiệu cao hơn đáng kể (khoảng 100–200 dB/km), giới hạn khoảng cách dưới 100 mét.

Lớp bảo vệ: Lớp phủ, lớp đệm và áo khoác

Sợi thủy tinh trần dễ vỡ. Một loạt các lớp bảo vệ bao quanh nó để đảm bảo độ bền cơ học và khả năng chống chịu môi trường:

• Lớp phủ acryit – Lớp thứ nhất thi công ngay sau khi vẽ sợi thủy tinh. Lớp phủ polymer xử lý bằng tia cực tím này (đường kính thường là 250 µm) bảo vệ khỏi uốn cong vi mô và hấp thụ độ ẩm mà không ảnh hưởng đến hiệu suất quang học.
• Đệm chặt hoặc ống lỏng — Sợi được phủ acrylate được bọc chặt trong đệm PVC hoặc nylon (thiết kế đệm chặt) hoặc đặt lỏng lẻo bên trong ống nhựa chứa đầy gel (thiết kế ống lỏng). Cấu trúc ống rời là tiêu chuẩn cho cáp ngoài trời vì nó cách ly sợi khỏi ứng suất kéo và biến động nhiệt độ.
• Thành viên thế mạnh — Sợi aramid (được bán dưới tên thương mại như Kevlar) hoặc thanh sợi thủy tinh được dệt hoặc đặt dọc bên trong cáp để hấp thụ lực kéo trong quá trình lắp đặt, ngăn không cho sợi thủy tinh bị giãn hoặc đứt.
• Áo khoác ngoài - Lớp vỏ cuối cùng thường được làm bằng polyetylen (PE) cho cáp ngoài trời hoặc PVC/LSZH (Low Smoke Zero Halogen) hợp chất để sử dụng trong nhà. Vật liệu LSZH ngày càng được yêu cầu nhiều trong quy chuẩn xây dựng vì chúng thải ra khí độc tối thiểu khi tiếp xúc với lửa.

Cáp bọc thép bổ sung thêm một lớp băng thép hoặc nhôm lượn sóng bên dưới lớp vỏ để chống lại loài gặm nhấm và bảo vệ khỏi bị nghiền nát trong môi trường chôn lấp trực tiếp hoặc công nghiệp.

Thủy tinh và nhựa: Lựa chọn vật liệu ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào

Loại thứ ba— sợi silic phủ cứng (HCS) —sử dụng lõi thủy tinh với lớp vỏ nhựa cứng. Nó thu hẹp khoảng cách giữa các thiết kế hoàn toàn bằng thủy tinh và hoàn toàn bằng nhựa, mang lại mức tổn hao thấp hơn POF trong khi vẫn chịu được bán kính uốn cong lớn hơn so với sợi thủy tinh chế độ đơn tiêu chuẩn. Sợi HCS phổ biến trong các dụng cụ y tế và cảm biến.

Chất kích thích đặc biệt giúp tinh chỉnh các đặc tính quang học

Silica nguyên chất không phải là toàn bộ câu chuyện. Các nhà sản xuất đưa một lượng nhỏ vật liệu tạp chất vào lõi hoặc tấm kính bọc để kiểm soát đặc tính chiết suất—và do đó kiểm soát cách ánh sáng truyền đi:

• Germani dioxit (GeO₂) — Được thêm vào lõi để tăng chiết suất của nó so với lớp bọc. Doping GeO₂ là tiêu chuẩn trong cả sợi viễn thông đơn mode và đa mode.
• Flo (F) hoặc bo trioxit (B₂O₃) — Giảm chỉ số khúc xạ và được sử dụng trong lớp phủ hoặc trong các thiết kế đơn chế độ lớp phủ bị nén để cải thiện hiệu suất bước sóng cắt.
• Erbi (Er³⁺) — Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium (EDFA) kết hợp các ion erbium vào ma trận thủy tinh. Khi được bơm bằng tia laser có bước sóng 980 nm, erbium khuếch đại tín hiệu 1550 nm trực tiếp trong miền quang—nền tảng của hệ thống truyền dẫn WDM đường dài.
• Phốt pho pentoxit (P₂O₅) — Tăng chỉ số khúc xạ và giảm nhiệt độ chuyển thủy tinh, giúp sợi dễ dàng nối và xử lý cầu chì ở nhiệt độ thấp hơn.

Cấu hình tạp chất chính xác, được áp dụng trong quá trình sản xuất lắng đọng hơi hóa học (CVD), xác định liệu sợi thành phẩm có hoạt động như chế độ đơn (SMF) —hướng dẫn một đường ánh sáng để có băng thông tối đa—hoặc đa chế độ (MMF) —hướng dẫn nhiều đường dẫn cho các liên kết ngắn hơn, chi phí thấp hơn.

Quy trình sản xuất định hình chất lượng vật liệu như thế nào

Độ tinh khiết đặc biệt của sợi thủy tinh đạt được thông qua quá trình lắng đọng pha hơi thay vì nấu chảy thủy tinh thông thường. Hai phương pháp chiếm ưu thế là:

• Lắng đọng hơi hóa học biến đổi (MCVD) - Khí chứa nhiều chất Dopant chảy qua ống silic quay. Nhiệt từ ngọn đuốc bên ngoài làm cho khí phản ứng và tạo ra cặn thủy tinh trên thành bên trong. Ống sau đó được thu gọn thành một thanh phôi rắn.
• Lắng đọng hơi bên ngoài (OVD) — Muội được lắng đọng bên ngoài trục gá quay, tạo ra phôi xốp, sau đó được thiêu kết thành thủy tinh trong suốt. OVD được ưa thích để sản xuất sợi đơn mode số lượng lớn.

Sau đó, phôi tạo thành—thường dài 1–2 mét và đường kính 10–15 cm—sau đó rút ra trong tháp kéo sợi ở nhiệt độ trên 2.000°C. Khuôn phôi mềm ra và được kéo thành một sợi sợi liên tục có đường kính chỉ 125 µm (khoảng chiều rộng của một sợi tóc người) với tốc độ kéo vượt quá 2.000 mét mỗi phút. Hệ thống đo lường nội tuyến xác minh đường kính, độ đồng tâm lớp phủ và độ suy giảm trong thời gian thực trước khi cuộn sợi.

Dây chuyền sản xuất được kiểm soát chặt chẽ này—từ khí tiền thân SiCl₄ thô đến cáp thành phẩm—là thứ cho phép sợi quang đạt được độ rõ quang học đặc biệt mà không có vật liệu thông thường nào có thể sánh được.